Fyzikální informace •kategorie fyzikálního obrazu světa: hmota, energie, prostor, čas, informace •fyzikální informace: informace v anorganickém světě •existuje vůbec? - názory vědců se rozcházejí Øfyzikální informace neexistuje Øfyzikální informace existuje Øfyzikální informace existuje n jen v technické sféře universe Fyzikální informace 1)fyzikální informace neexistuje: •nikdy nebyla izolována z nerostné přírody •nemá svůj vlastní význam – žádné kvalitativní změny vlastního stavu objektu •anorganický objekt nekoná cílevědomě, nereguluje ani neřídí svůj pohyb – nedochází k vyhodnocení inf. •nemá žádné specifické části pro příjem, přenos a zpracování informace, nemá diferencované vstupy a výstupy, nemá paměť •nekomunikuje s okolím, nemá žádné aktuální signály Fyzikální informace •materiální systémy jsou pasivní, informace v nich jen v latentní podobě, konkrétními až jako součást vědomí člověka 2)fyzikální informace existuje v technické sféře: •technika je přetvořená forma hmoty, je to „druhotná“ příroda •existují impulzní fyzikální informace – vztahy mezi dvěma objekty Fyzikální informace •technické zařízení mají informační vlastnosti a funkce – jejich činnost je možné řídit, pomocí některých lze informace získávat, zpracovávat, přenášet a zpřístupňovat •tvorba techniky z objektů neživé přírody je sociálně podmíněná 3)fyzikální informace existuje: •předpoklad – informace je vlastností veškeré materie, existuje objektivně, nezávislá na člověku •→ fyzikální informace, informační fyzika • Fyzikální informace •fyzikální informace vzniká ve fyzikálních systémech elementárních částic - jádra, atomy, molekuly ... •evoluce začíná už v tomto hmotném, předživotním stavu ve formě systémů s mechanickou strukturou a interakcí •v těchto systémech předobrazy pohybů se zpětnou vazbou – kvaziregulace •zdrojem potencionální fyzikální informace je strukturovanost, uspořádanost a organizovanost hmotného objektu molekuly První byla informace nDo fyziky zavádí informaci Ludwig Boltzmann: (entropie) termodynamická kvantita = neúplná informace o stavu systému nfyzikální principy dnes - kvantová informační fyzika nkvantová mechanika se vždy zabývala informací nJohn Archibald Wheeler - vysvětlil principy nukleárního štěpení, pojmenoval černé díry: nIt from Bit – první byla informace, pak vše ostatní (částice, silová pole, časoprostorové kontinuum) nBit základní nedělitelná částice. Je kvantovaná, proto je taková i povaha světa. Informační fyzika •Tom Stonier – Informace a vnitřní struktura vesmíru •předpoklad inf. fyziky – informace je součástí vesmíru jako energie a hmota Øprojevem energie – teplo Øprojevem hmoty – hmotnost Øprojevem informace – organizovanost •vesmír organizován do hierarchie informačních úrovní - informace organizuje hmotu, energii, ale i informaci •libovolný organizovaný (strukturovaný) systém má informační obsah •Informace je funkcí uspořádanosti systémů • Vztah_mezi_energii_informaci_a_hmotou Informační fyzika •fyzikální informace Øje funkcí termodynamické nepravděpodobnosti – mírou vzrůstu organizovanosti v systému Øje funkcí vazeb spojujících jednodušší části systému do komplexnějších celků •přidání informace do systému → systém organizovanějším nebo se reorganizuje •zpracování informace – forma práce: informační obsah systému je určen množstvím práce požadované k jeho vytvoření. 1 joul na 1 stupeň kelvina obsahuje 1023 bitů Informační fyzika •informace dělena na: n - strukturní informaci – organizace hmoty a energie n - kinetická informace – informace umožňující n systému vstoupit do termodynamicky méně n pravděpodobného stavu •energie a informace vzájemně převoditelné: potencionální energie je ekvi- n valentní kinetické informaci •teplo – forma energie bez n informace (náhodný, n neorganizovaný pohyb n molekul) struktura vesmíru Informační fyzika •vzrůst entropie – energetický proces, kinetická informace degraduje na teplo •všechny formy energie jiné než teplo obsahují informaci •fyzikální informaci obsahují i fyzikální konstanty – odrážejí uspořádanost fyzikálních systémů nebo událostí •informace nemůže být nikdy zničena, pokud platí deterministické zákony fyziky (stav systému v jednom okamžiku vždy určuje stav systému v dalším okamžiku) Entropie •definice: míra neuspořádanosti soustavy, růst vyjadřuje přechod od organizovaných, málo pravděpodobných stavů ke stavům chaotickým, vysoce pravděpodobných •odstranění entropie po příjmu zprávy → vyjadřuje míru získané informace •při růstu informace entropie klesá a naopak entropieA entropieB Entropie •pojem z termodynamiky n - směr energetických změn v systému směrem k nejpravděpodobnějšímu uspořádání jeho prvků •část energie při práci systému degraduje na teplo – nevratná ztráta •izolovaný termodynamický systém → ubývá energie, směr rovnovážný n stav bez energie •čím menší entropie, tím n větší rozdíly v soustav → n překvapení pro pozorovatele, n větší informace termodynamický systém Negentropie •záporná entropie, organi- n zace používají biologové •otevřené systémy daleko n od rovnováhy (život) •sají uspořádanost z okolí (látky a energii), rozkládají ji, uvolněnou energii využívají k udržení vlastní organizace •výsledek → degradací látek a energie zvyšují entropii svého okolí negentropy Maxwellův démon •myšlenkový experiment Jamese Clerka Maxwella •mezi dvěma spojenými nádobami přepážka ovládaná démonem •démon propouští rychlé molekuly jedním a pomalé druhým směrem •výsledek: teplotní rozdíl mezi nádobami, využitelný pro další práci ® perpetuum mobile •démon – rozuměj mechanická či elektronická závora Maxwellův démon •Leo Szilard a Marian Smoluchowski – je porušen zákon o zachování energie •v experimentu vynecháno úsilí démona samotného – musí získat informace o rychlosti molekul ® měření = spotřeba energie •ztráta energie větší, než energie získaná pro práci •přesto možné využití v mikrosvětě - nanotechnologie n n Paradox ztráty informace v černých dírách •gravitace zakřivuje světlo i časoprostor. Výjimečně hmotné a husté hvězdy mohou zkolabovat •zhroucením hmoty vzniká téměř nekonečná gravitace, z dané oblasti (za horizontem událostí) neunikne ani světlo •čas a prostor se zakřivují do n té míry, že jsou zaměnitelné •první zkoumání – hmota a n energie ztrácející se n v černé díře Paradox ztráty informace v černých dírách •S. Hawking – důsledkem kvantových fluktuací na horizontu dochází k úniku tepla ® černé díry se vyzařují. ALE: Teplo neobsahuje informaci. •Kam se ztrácí informace (struktura látky), nemůže-li být zničena? – ohrožení deterministických základů fyziky •Spekulace: informace může vstupovat do jiných světů – vznik představy paralelních vesmírů •Hawking v roce 2004 předložil matematické argumenty, podle kterých zůstává informace zachována. Jakým způsobem se dostává z černých děr není zatím jasné. Možné řešení mají nabídnou experimenty s urychlovači částic v CERNu. n Infony •Stonier postuluje hypotetické kvantové částice: infony •částice skládající se pouze z informace Ønehmotné, bez energie a hybnosti Øinfon je foton, jehož vlnová délka nekonečná a frekvence nulová •mohli bychom pak spekulovat o informačním silovém poli, v němž se změna v jednom místě projeví na více místech současně? •hypotéza velmi složitě ověřitelná, za současnými možnostmi Fyzika zpracování informací •počítače – stroje na transformaci energie na odpadní teplo a matematickou práci •původní předpoklad: při každém elementárním kroku (rozhodnutí mezi O a 1, přenos bitu) je disipováno určité množství tepla •R. Landauer – logické operace jsou reverzibilní, nezvyšují entropii, teplo není disipováno •Ch. Bennett – vymazání logické operace je nevratné, dochází k disipaci tepla •zapomínání vyžaduje práci Qubity a kvantové počítače •Qubit – kvantový bit, jednotka kvantové informace •informace kódována jako jeden ze dvou kvantových stavů kvantového objektu (např. vertikální x horizontální polarizace fotonu) •superpozice – na objektu existuje současně celé kontinuum přechodných stavů (např. diagonální polarizace) až do chvíle jejich měření. Výsledný stav je funkcí pravděpodobnosti •qubit nemusím mít hodnotu 0 či 1, zahrnuje všechny superpozie. Kvantový systém se může nacházet v obou stavech zaráz. •Konkrétní hodnotu 0 či 1 nabývá qubit až ve chvíli měření Qubity a kvantové počítače •Očekávaná využití: -kvantové počítače – provádí jednu operaci s velkým počtem hodnot současně http://www.aldebaran.cz/bulletin/2003_21_qua.html -kvantová teleportace – přenos qubitu z místa na místo bez nutnosti překonat mezilehlý prostor (http://www.aldebaran.cz/bulletin/2004_31_tel.html) -kvantová kryptografie – nerozluštitelné kódy http://www.aldebaran.cz/bulletin/2005_14_kry.php - -http://vimeo.com/12975725 n n LITERATURA •STONIER, Tom. Informace a vnitřní struktura vesmíru: průzkum v informační fyzice. Praha : Ben, 2002. 159 s. •GLEICK, James. The Information: A History, A Theory, A Flood. New York : Pantheon Books, 2011. eISBN 978-0-307-37957-3. •BAWDEN, David. Mind the Gap: Transitions Between Concepts of Information in Varied Domains. In Steinerová, Jela (ed.). Information Ecology and Libraries. Bratislava : Comenius University, 2011. S. 7 – 13. •HEY, Tony – WALTERS, Patrick. Nový kvantový vesmír. Praha : Argo, 2005. 429 s. ISBN 80-7203-699-8. n